便攜式超聲波流量計在實際流量測量中的應用非常廣泛。在對便攜式超聲波流量計進行流量測量的研究方面,許多學者做了大量的研究工作,取得了一定的研究成果[1-6] 。但對便攜式超聲波流量計作為標準流量計對現場流量計進行監測或校準時,作為標準器的溯源方式尚未得到解決。目前由于計量部門實驗室中的流量標準裝置的管道規格口徑不可能完全覆蓋現場所有管徑,故無法滿足便攜式超聲波流量計所有管徑條件的溯源實驗需要,因此急需對便攜式超聲波流量計在不同規格管道間的量值溯源關系問題進行研究。

本文在總結前人研究成果的基礎上[7-14] ,首先根據便攜式超聲波流量計流量模型,提出了超聲波流量計特征系數與管道口徑無關的結論,基于該結論提出了將一種規格管道上得到的流量計特征系數應用到其他規格管道上進行流量測量的溯源方法,利用該方法對便攜式超聲波流量計在水流量標準裝置的不同管徑上進行了實驗研究,取得了較好的研究結果,能夠解決便攜式流量計的量值溯源難題。

便攜式超聲波流量計是利用測量聲波在流動介質中傳播的時間與流速的關系原理來測量管道內部的平均流速。如圖1所示,當潔凈液體以一定的流速v流過流量傳感器(包括上游換能器B1和下游換能器B2)時,上游換能器B1和下游換能器B2所發射的超聲波信號分別被下游換能器B2和上游換能器B1所接收,由于超聲波在順流中的傳播時間td和逆流中的傳播時間tu不同,導致上游換能器B1和下游換能器B2接收到的超聲波信號的時間不同,從而產生時間差Δt,該時間差Δt與流過流量傳感器的潔凈液體的平均流速v成正比。根據這一正比關系,在測得時間差Δt的情況下,可得到管道內部的平均流速v,再根據該平均流速v與流量q的關系,即可得到管道內部潔凈液體的流量q。

超聲波在順流和逆流中傳播長度為L的距離時所用的時間分別為

式中:td為超聲波在順流中的傳播時間;tu為超聲波在逆流中的傳播時間;L為聲道長度;c為超聲波在非流動流體介質中的傳播速度;v為管道中介質的平均流速;α為聲道角。

令Δt=tu-td,則由式(1)和式(2)可以得到:

式中:Δt為超聲波在逆流和順流中傳播的時間差。

由式(3)可以得到:

由于v<<c,故 ;又cosα<1,所以有

因此,式(4)可以變為

由式(5)可以得到:

利用超聲波流量計測量管道中的流量時,管道中的流體溫度通常為常溫,超聲波在流體中的傳播速度相差較小,故流體溫度為常溫條件時,一般將超聲波在靜止流體中的傳播速度c作為常數處理;另外,便攜式超聲波流量計的上游換能器和下游換能器一旦設計并制造完成后,無論換能器在何種管道上安裝,其聲道角α均為固定的常數;而便攜式超聲波流量計的上游換能器和下游換能器在管道上安裝完畢后,其聲道長度L也變為常數。

根據上述分析并結合式(6)可知,便攜式超聲波流量計測量得到的管道中介質的平均流速v僅與超聲波在逆流和順流中傳播的時間差Δt成正比,而與其他參數無關。為了將超聲波流量計測量得到的管道內的流速轉換為管道流量,將式(6)結合流體流過管道的截面積,并考慮超聲波流量計自身的信號轉換電路、安裝誤差等帶來的影響,在引入k作為超聲波流量計的特征系數的條件下可以得到管道中流體的流量為

式中:k為超聲波流量計的特征系數,該特征系數由溯源或出廠檢驗時在水流量標準裝置上標定得到;q為便攜式超聲波流量計測量得到的管道中的流量;D為管道直徑。

根據式(7)的推導過程并結合前述分析可以看出,超聲波流量計的特征系數k是用來修正超聲波自身轉換電路、安裝誤差等帶來影響的固有系數,與管道規格口徑無關,因此本文就利用超聲波特征系數的這一固有特性,將超聲波流量計在某一口徑上標定得到的特征系數,直接應用到不同規格管道上進行流量測量,以期獲得較好的研究結果。

實驗的水流量標準裝置如圖2所示,主要由動力設備、水源穩壓設備、前直管段、實驗段、后直管段、背壓管段、開式換向器及工作量器八部分組成。實驗工質為水,實驗中水由水泵導入水源穩壓裝置,經過穩壓裝置穩定后經過一個足夠長的直管段進入實驗段,再經過一個足夠長的后直管段及背壓管段,***后通過雙分流器開式換向器進入稱重量器。

實驗管道內徑分別為50 mm、80 mm和100 mm;穩壓容器壓力為0.3 MPa;水的流速為0.3~3 m/h;水的密度為998 kg/m;實驗介質溫度為常溫。

首先將準確度等級為1.0級的便攜式超聲波流量計在水流量標準裝置的50 mm口徑的管道上進行流量測量實驗,得到便攜式超聲波流量計的特征系數、示值誤差及重復性;然后,在不改變便攜式超聲波流量計特征系數的條件下,將便攜式超聲波流量計在100 mm口徑的管道上進行實驗,得到便攜式超聲波流量計的示值誤差和重復性。實驗得到的k系數為100.59%,實驗結果如表1和表2所示。

為了更好地研究便攜式超聲波流量計在相同儀表系數、2種不同口徑管道上進行流量測量時得到的示值誤差的變化趨勢,定義2種不同口徑管道上的相同流速點下得到的示值誤差差值的值作為該流速點下示值誤差的偏移量:

式中:ΔE為2種不同管道口徑的相同流速點下便攜式流量計的示值誤差的偏移量;E1為一種管道口徑上得到的便攜式流量計的示值誤差;E2為另一管道口徑上得到的便攜式流量計的示值誤差。

根據式(8)可以計算得到相同流速點下DN50和DN100口徑管道上得到的示值誤差的偏移量,如表3所示。

由表1、表2和表3可以得出:

1)在相同的流速點及不改變流量計特征系數條件下,利用水流量標準裝置測量的便攜式超聲波流量計在不同管徑安裝時的示值誤差均在±1%的范圍內,示值誤差的測量重復性均在0.30%范圍內,能滿足超聲流量計計量檢定規程的***大允許誤差和重復性的要求。

2)在不同管徑下的相同流速點,測量得到的便攜式流量計的示值誤差的變化趨勢并不相同,造成這一結果的原因是由于管道測量參數、流量測量探頭安裝位置等均具有誤差,而這一誤差將直接影響便攜式超聲波流量計的流量測量誤差,反映在實驗結果上則出現了上述示值誤差的分布結果。

3)上述測量結果,進一步證明了特征系數僅與儀表自身有關,在一種規格管道上測量得到的超聲波流量計特征系數,可以應用到其他規格管道上進行流量測量。

4)由于便攜式超聲波流量計本身的測量誤差為±1.0%,本文認為利用便攜式超聲波流量計作為校準標準器對現場流量計進行校準時,由于現場安裝條件、管道測量參數及探頭安裝距離等的影響,同時考慮標準器一般應滿足被測儀表示值誤差1/3的條件要求,采用便攜式超聲波流量計校準被測儀表時,得到的示值誤差滿足±3.0%,則可認為被測儀表的示值誤差滿足現場測量的要求。

本文在分析便攜式超聲波流量計作為標準流量計對現場流量計進行監測或校準時的溯源問題的基礎上,首先給出了超聲波流量計的流量測量模型,根據該模型的推導過程得到了超聲波流量計的特征系數與管道規格口徑無關的結論,并基于該結論提出了將一種規格管道上得到的便攜式超聲波流量計特征系數應用到不同規格管道上進行流量測量的溯源方法,利用該方法對便攜式超聲波流量計在水流量標準裝置的不同管徑上進行了實驗研究,取得了較好的研究結果,解決了便攜式流量計作為標準流量計對現場流量計進行監測或校準時的量值溯源難題。